大麦籽粒直链淀粉和支链淀粉含量的QTL定位研究

来源 :扬州大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:maxiao912
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大麦是全球范围内广泛种植的第四大禾谷类作物,在不同领域有着广泛的应用。大麦籽粒主要用作牲畜饲料、制麦与酿造原料以及世界上一些地区的主粮。此外,随着人们生活水平的提高,大麦的保健功效也日益受到关注。和其它禾谷类作物相似,大麦籽粒的主要成分为淀粉,淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成,淀粉的组分含量及结构在一定程度上决定了大麦籽粒的专用品质。淀粉组分含量是受多基因控制的复杂数量性状,受环境影响较大,仅仅基于表型的测定与选择难以满足专用品质对这些性状改良的要求,利用与目标性状紧密连锁的分子标记对控制相应性状的基因/QTL进行辅助选择,能够提高育种效率。已有关于大麦籽粒淀粉组分含量的QTL定位研究较少。本研究以1个DH群体和1个由185个大麦种质组成的关联分析群体为材料,利用简化基因组测序(GBS)所得的SNP标记,对大麦籽粒直链淀粉和支链淀粉含量2性状进行QTL连锁分析和全基因组关联分析。主要研究结果如下:1.2013-2014扬州和2014-2015盐城两试点,DH群体亲本Naso Nijo的直链淀粉和支链淀粉含量在两个环境下均显著高于亲本泰兴9425,DH群体内各系的直链淀粉和支链淀粉含量呈连续的正态或近似正态分布。2014-2015和2015-2016盐城两试点的关联分析群体内各大麦种质的直链淀粉和支链淀粉含量也呈连续的正态分布,此外,两个环境下DH群体直链淀粉和支链淀粉含量的平均值以及自然群体直链淀粉和支链淀粉含量的BLUPs值也呈相似的连续的正态分布。直链淀粉含量和支链淀粉含量在DH群体各系和关联分析群体各种质间(基因型间)、环境间及基因型与环境互作间的差异均达到极显著水平。2.以分布于大麦7个染色体的1551个SNP标记构建了 DH群体的遗传连锁图谱,该图谱覆盖长度为957.09 cM,平均标记间隔为0.61 cM。利用Windows QTL IciMapping v3.2软件完备区间作图法(ICIM)对籽粒直链淀粉和直链淀粉含量进行QTL分析。两个环境下共检测到位于3H、6H和7H上的与直链淀粉含量相关的3个QTL位点,分别命名为qAC-3-1、qAC-6-1、qAC-7-1,以及位于3H、4H、5H和7H上的与支链淀粉含量相关的4个QTL位点,分别命名为qAPC-3-1、qAPC-4-1、qAPC-5-1和qAPC-7-1。其中,qAC-7-1和qAPC-7-1在两个环境下均能检测到,qAC-7-1两年的变异解释率分别为9.83%和9.49%,qAPC-7-1两年的变异解释率分别为8.20%和10.33%。用两个环境直链淀粉和支链淀粉含量的平均值作QTL分析,qAC-7-1和qAPC-7-1的LOD值和表型变异解释率均明显增大。3.通过对185个大麦种质组成的关联分析群体的群体结构和亲缘关系分析,自然群体被分为两个亚群,其亲缘关系频率在0.5左右。由群体结构分析生成Q矩阵和亲缘关系分析生成K矩阵,结合3826个均匀分布于大麦7条染色体的SNP标记,运用混合线性模型(MLM,Q+K)对籽粒直链淀粉和支链淀粉含量进行全基因组关联分析。以P≤10-3(-LogP≥3.0)决定标记与性状间是否存在显著关联,共检测到9个与直链淀粉含量显著关联的SNP位点和11个与支链淀粉含量显著关联的SNP位点。与直链淀粉含量相关联的9个位点位于1H、2H、5H和7H上,解释8.2-11.3%的表型变异,与支链淀粉含量相关联的11个位点位于1H、2H、3H、4H和7H上,解释7.4-12.4%的表型变异。其中,直链淀粉含量的关联位点SNP2310与DH群体中连锁定位到的控制直链淀粉含量的QTL位点qAC-7-1位置相同,支链淀粉含量的关联位点SNP3120与DH群体中连锁定位到的控制支链淀粉含量的QTL位点qAPC-7-1位置相近。4.结合DH群体QTL连锁定位结果和关联分析群体GWAS定位结果,根据最新大麦参考基因组数据信息,依据与水稻同线性分析的基因注释,在共定位区段预测候选基因。与直链淀粉含量相关的候选基因预测为大麦Waxy(GBSSI)基因(MLOC64657),与支链淀粉含量相关的候选基因预测为大麦SSII-3(SSIIa)基因(MLOC69670)。通过测序、比对,DH群体双亲泰兴9425和Naso Nijo间,在大麦Waxy基因转录起始点与启动子间发现一段191bp的插入/缺失差异,在大麦SSII-3基因第二外显子上发现一段33bp的插入/缺失差异。这两个差异在双亲的DNA和cDNA中均能被检测到。根据这两个序列差异设计特异性引物在关联分析群体群体185个大麦种质中扩增,Wx-191将自然群体分为75个Naso Nijo基因型和105个泰兴9425基因型,两种类型间直链淀粉含量差异达极显著水平,SSIIa-DNA将自然群体分为124个NasoNijo基因型和58个泰兴9425基因型,两种类型间支链淀粉含量差异达极显著水平。通过qRT-PCR定量分析了大麦Waxy基因和SSII-3基因在花后不同天数(5、10、15、20、25、30天)的种子发育过程中表达情况。Waxy基因表达量在授粉初期较低,花后10天左右开始快速增多,花后20天左右达到最高,然后开始有所下降。花后各相同时期,NasoNijo中Waxy基因表达量均显著或极显著高于TX9425中Waxy基因表达量。SSII-3基因表达模式与Waxy基因相似,在种子刚发育初表达量较低,花后10天左右表达增多,15-20天表达最多然后大幅降低。在花后5-20天籽粒中,Naso Nijo中SSII-3基因表达量均显著高于TX9425中SSII-3基因表达量。
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